三維重建模擬復位固定應用于骨關節(jié)創(chuàng)傷微創(chuàng)手術臨床研究*

安曉龍,付 軍,藺廣生

1.空軍軍醫(yī)大學西京醫(yī)院骨科(西安710032);2.陜西省志丹縣人民醫(yī)院骨科(延安717500)；3.陜西省延安市人民醫(yī)院骨三科(延安716000)

隨著數字骨科技術的發(fā)展和微創(chuàng)技術、精準手術的逐步開展，術前3D打印技術應用于臨床正在逐漸興起。但一般3D打印的三維成像模型只局限于術前對骨折部位的直觀了解，以明確診斷，加之3D打印是對高分子材料的高溫熔化離散堆積，目前普遍應用于常規(guī)領域的打印機分辨率有限，不能精確地按骨折線將骨塊游離，因此在骨折復位研究方面存在不足。由于關節(jié)周圍組織結構復雜，關節(jié)運動對生物力學的要求較高，關節(jié)內骨折對復位要求極為嚴格，加之關節(jié)周圍軟組織致密，血運相對差，手術治療常造成切口愈合不良、軟組織及骨質感染、瘢痕攣縮等手術并發(fā)癥概率高[1-2]。在合理保護軟組織血運的前提下，采用最佳復位固定骨折的手術方案，能有效降低手術并發(fā)癥，最大程度恢復關節(jié)功能。本研究針對骨骼CT影像學數據所形成的三維重建圖形，應用3D打印技術制作骨骼模型，通過對模型的再加工設計，模擬骨折復位，指導預制接骨板，從而合理規(guī)劃手術方案并指導完成手術操作，以期為臨床治療提供有效參考。

資料與方法

1 一般資料 2015年1月至2018年6月我們采用微創(chuàng)方法治療骨關節(jié)創(chuàng)傷患者62例，術前采用3D打印技術輔助完成手術的分為3D組(33例)和采用常規(guī)X線、CT等影像學技術輔助完成手術的分為常規(guī)組(29例)。3D組：男性17例，女性16例，年齡為23～71歲，平均年齡(47.5±18.6)歲；骨折部位：股骨下段骨折11例，脛骨平臺骨折11例，脛骨遠端骨折11例；致傷原因：高處墜落傷13例，交通肇事傷11例，運動損傷9例。常規(guī)組：男性16例，女性13例，年齡為21～70歲，平均年齡(46.8±20.4)歲；骨折部位：股骨下段骨折8例，脛骨平臺骨折11例，脛骨遠端骨折10例；致傷原因：高處墜落傷10例，交通肇事傷12例，運動損傷7例。兩組患者一般資料的比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，具有可比性，見表1。病例納入標準：①股骨下段(AO:33B3)、脛骨上段(AO:41B3)、脛骨下段(AO:43B3)累及到關節(jié)面的骨折病例；②年齡為20歲以上的成年患者；③無肢體先天發(fā)育畸形或病理性畸形病例；④關節(jié)無繼發(fā)畸形改變； ⑤骨骼無囊性、腫瘤等病理性改變；⑥均有完整的正側位X線平片、CT斷層掃描檢查。病例排除標準：①具有手術禁忌證的患者；②Outerbridge分類Ⅳ級的骨性關節(jié)炎患者；③關節(jié)功能嚴重障礙的患者；④附帶有關節(jié)面的骨質缺損的患者；⑤病歷資料不完整的患者；⑥行開放手術治療的患者。

表1 兩組患者一般資料比較

2 三維重建模擬復位固定

2.1 三維重建的數據處理：CT平掃影像數據具體參數：電壓130 kV，層厚0.5～0.6 mm，矩陣512×512，平掃范圍為骨折線上、下端完整骨骼的5 cm以上范圍之間。對3D組33例患者的CT平掃影像數據進行處理后，應用3D打印圖像處理軟件進行三維重建。分析各骨折塊與骨干的關系，如果完全游離，在兩者之間的連接及支撐。其次最大程度保留分辨率范圍內的游離骨塊，以保證模型與病例骨折形態(tài)的一致性；設置骨骼模型保留長度和打印范圍。設計過程中，模型規(guī)格必須要與病例骨骼達到1∶1的比例，并包含有相鄰關節(jié)的正常骨骼。然后將處理好的數據轉換成3D打印機可讀取數據，在打印機上應用高分子材料進行打印成型。

2.2 模型復位固定處理：將3D打印模型根據骨折形態(tài)，用雕刻刀具沿骨折線切開。切開過程不能選擇電鋸、激光刀及美工刀等線型切割工具，因為此類設備切割后，將破壞骨折塊原有形態(tài)，影響骨塊復位成型。將分離后的骨塊模型按照骨骼解剖結構進行復位，再用液態(tài)速干膠將骨塊之間間隙逐一粘接固定。復位后的模型，按照解剖學結構，進行測量骨骼的力線是否完全恢復，軸線有無成角，遠、近折端之間有無旋轉，骨折線對位間隙寬度等測量指標。按照AO骨折內固定原則進行分析，如有不符，調整相應骨塊的復位，以至于達到標準要求。

2.3 內植物預制及手術設計：根據復位后的骨骼模型，選擇合適的固定內植物，包括加壓螺釘、接骨板等。按照合適的手術入路及內固定，設計接骨板及螺釘植入位置，進行比量策劃，將接骨板進行折彎預制，使之長度、角度適合固定要求，并符合骨折固定原則，而且不干擾刺激周圍軟組織，接骨板要與骨面貼覆。將接骨板用克氏針臨時固定在模型上，檢查模型各骨塊間固定可靠與否，固定要完全符合生物力學及內固定原則，即為完成內植物預制。

3 手術方法 均采用手法間接復位結合經皮撬撥復位骨塊的微創(chuàng)方法，按照入路標準，有限切開軟組織或小切口顯露局部骨質，經切口在骨膜下潛行剝離一隧道，與預制接骨板長度、寬度一致，將預制好的接骨板經切口置入骨膜下，與骨質貼覆，透視骨折復位良好后，經皮鉆孔，擰入螺釘固定。手術全程在C型臂X線機透視下完成。3D組采用術前設計的手術方案完成手術，常規(guī)組應用術前常規(guī)X線、CT等影像學技術，確定骨折形態(tài)固定內植物，設計接骨板及螺釘植入位置，完成手術操作。

4 觀察指標 記錄兩組手術時間、術中接骨板一次性放置成功率、術中X線透視次數、術中并發(fā)癥，以及術后疼痛視覺模擬評分(VAS)、36項健康調查簡表(SF-36)評分。術中并發(fā)癥包括術中血管神經損傷及再骨折等。

結 果

3D組與常規(guī)組62例患者均順利完成手術，術中無血管神經及周圍肌腱損傷，無骨折復位不良等并發(fā)癥發(fā)生。對3D組術后病例進行骨骼解剖形態(tài)學比對分析，手術過程中均達到解剖復位標準。根據AO骨折內固定原則分析[3]，符合無創(chuàng)的復位固定技術，關節(jié)面解剖復位；術前進行的預制塑形接骨板應用于術中固定后，符合生物力學要求，與骨面貼覆良好，接骨板放置均合理，骨折獲得穩(wěn)定；手術入路設計符合微創(chuàng)操作要求，可保護軟組織血供，對肌腱及腱鞘無干擾，關節(jié)可以早期主動功能鍛煉。3D組手術時間、術中X線透視次數、術后VAS評分小于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。3D組術中接骨板一次放置成功率、術后SF-36評分大于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 兩組手術操作相關指標比較

討 論

下肢膝、踝關節(jié)因位置特殊，所以容易受到高能量或低能量致傷機制損傷[4]，關節(jié)承受較大的體重壓力及應力，同時力量傳導在韌帶附著點較為集中，所以導致關節(jié)部位產生壓縮骨折，又有劈裂及撕脫骨折。傳統(tǒng)診斷學中，對于關節(jié)部位的骨折，常常采用正側位X線片加斜位及其它特殊位平片，以明確細微骨折和移位。隨著CT掃描技術的發(fā)展和普遍應用,60%的患者治療方案得到改進[5]；有研究[5]得出，經CT掃描后，12%病例的骨折分型有所變化，26%病例治療方案進行了改變。3D打印技術應用于骨科臨床研究以來，通過數字醫(yī)學與工程技術的有機結合，將以往的二維CT圖像轉化成三維的立體骨骼模型，更加有利于觀察骨骼粉碎程度、骨折線的形態(tài)，從而有助于臨床選擇更合理有效的手術策略[6]。

在20世紀60年代以前，臨床認為后期疼痛、關節(jié)僵直等都是關節(jié)面骨折不可避免的并發(fā)癥[7]。隨著AO組織對骨科手術的研究與發(fā)展，提出的解剖復位、堅強固定、早期功能鍛煉，以及各種有助于手術操作及治療的新的設備器械、內固定物的產生，大大提升了此類損傷的治療效果[8]。目前，關節(jié)周圍骨折累及到關節(jié)面的移位超過0.1 cm，是手術治療最明確的指征。在關節(jié)面的嚴格解剖復位要求前提下，常規(guī)采用切開復位內固定術，忽視了骨質的血運，增加了軟組織的創(chuàng)傷，手術過程中組織的廣泛剝離導致早期功能鍛煉受限、關節(jié)周圍瘢痕形成的概率高、后期關節(jié)功能受限的主要因素，同時骨不連、骨與軟組織感染和內固定失效率將會增加[4]。單純通過對3D打印模型的形態(tài)觀察和了解，在實際手術操作過程中，采用間接復位會難以取得滿意效果，而且內固定物的放置位置難以達到最為理想狀態(tài)[9]。另外，手術過程中接骨板的選擇和塑形一定程度上延長了手術時間，增加出血量，延長止血帶時間，產生并發(fā)癥風險也增加[5]。

目前，骨科手術治療將重心轉移到注重骨骼的生物力學和減少手術痕跡，同時提供最佳的生物和物理環(huán)境，實現骨折解剖復位的同時，最大程度減少對軟組織的干擾，達到早期功能完全恢復?；趯﹃P節(jié)解剖結構及關節(jié)周圍軟組織應力作用的理解，通過骨折不同手法間接復位，結合經皮撬撥復位骨塊，對于關節(jié)外骨折的復位，能保證軸向對線良好。應用微創(chuàng)方法，進行關節(jié)內骨折的解剖復位，是防止創(chuàng)傷性關節(jié)炎的關鍵。有限切開軟組織或小切口顯露骨質有助于減少醫(yī)源性損傷。

本研究通過對3D組33例成人病例CT平掃影像數據進行三維重建，3D打印模型骨塊分離粘接復位，選擇接骨板進行預制固定，得到了符合AO骨折內固定原則的實驗效果。同時，本研究62例患者均順利完成手術，術中無血管神經損傷及再骨折等并分癥。3D組手術時間、術中X線透視次數、術后VAS評分小于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。3D組術中接骨板一次放置成功率、術后SF-36評分大于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。說明術前應用三維重建模擬復位固定在骨關節(jié)創(chuàng)傷微創(chuàng)手術中具有良好的可行性和滿意的有效性，即術前進行三維重建模擬復位固定，可以有效、準確的指導關節(jié)周圍骨折微創(chuàng)手術的開展。故認為，三維重建模擬復位固定可應用于骨關節(jié)創(chuàng)傷微創(chuàng)手術，并具有縮短手術時間、減輕軟組織創(chuàng)傷、防止關節(jié)功能受限等臨床意義。

通過本研究，筆者認為三維重建模擬復位固定應用于骨關節(jié)創(chuàng)傷微創(chuàng)手術具有如下優(yōu)點：①術前三維重建及3D打印1∶1比例的骨折模型有利于明確骨折形態(tài)，獲悉各骨折塊之間的關系及骨缺損情況，如骨折分離、移位、旋轉、塌陷等情況[10-11]。②術前模擬操作有利于預評估手術難度及手術關鍵區(qū)域，便于提前確定手術方案及應對可能出現的術中突發(fā)困難等情況[12-14]。③術前模擬操作以等比例高逼真的骨折實物為平臺，可以充分的展示術者的手術思維，也有利于術者之間相互交流手術心得體會[14]。④以實物模型進行手術過程的講解，便于患者了解手術治療的必要性及風險性，有利于促進醫(yī)患雙方溝通效果[15-16]。⑤可優(yōu)化手術操作效果，減少了術中反復選擇接骨板及預折彎等步驟，使得手術時間與術中X線透視次數極大地減少，同時也減輕了軟組織創(chuàng)傷，可防止關節(jié)功能受限[17]。

綜上，術前應用三維重建模擬復位固定，關節(jié)面骨折能夠解剖復位，接骨板放置均合理，骨折獲得穩(wěn)定，入路設計微創(chuàng)，可保護軟組織血供，符合無創(chuàng)操作技術要求。術前進行三維重建模擬復位固定，可以有效、準確的指導關節(jié)周圍骨折微創(chuàng)手術的開展，可應用于骨關節(jié)創(chuàng)傷微創(chuàng)手術治療，并具有縮短手術時間、減輕軟組織創(chuàng)傷、防止關節(jié)功能受限等臨床意義。然而，本研究是基于醫(yī)工結合基礎上的橫向聯合項目，如何將數字技術、3D打印技術與臨床工作系統(tǒng)一體化，建立綜合標準，能夠形成更規(guī)范、更好的醫(yī)療服務機制，仍需進一步探索。同時，我們所研究采用的病例均為正常成人影像數據，由于人體結構個體化差異而形成的特殊病例，需要采取個體化的復位固定方法，具體要求也會有所不同，仍需進一步實驗研究。